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废水生物脱氮、防治水体富营养化一直都是水处理方向面临的主要问题之一[1]。传统的生物脱氮方法主要为全程硝化反硝化脱氮。短程硝化作为一种新型生物脱氮工艺，是将硝化反应控制在氨氧化阶段，将亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria，NOB)分离出反应器并将氨氧化菌(ammania oxidizing bacteria，AOB)保留在反应器中，实现氨氮氧化产物为亚硝酸盐的过程[2]。相比传统的全程硝化，短程硝化可以节省25%曝气量和30%的反应时间[3]，节约碳源40%[4]，具有较低的污泥产量[5]。目前提出的控制短程硝化的影响因素包括游离氨(free ammonia，FA)、游离亚硝酸(free nitrite acid，FNA)、溶解氧(dissolved oxygen，DO)、温度、pH等[6-9]。此外，曝气时间也是实现和维持稳定短程硝化的主要控制因素，曝气时间短导致反应不完全，出水不达标[10]；曝气时间过长，短程硝化会转化为全程硝化[11]。因此，维持稳定长久的短程硝化需要综合考虑各种控制因素，以实现对反应过程的综合控制。
除上述影响因素外，盐度也会对生物脱氮处理过程产生影响。有研究表明，低浓度的盐可以促进微生物的生长，盐度过高则会影响细胞的渗透压，导致微生物的活性受到抑制[12]。盐度对微生物虽有毒害作用，但可通过逐步提高盐度或投加耐盐污泥，使微生物适应盐环境，减轻盐度对微生物的抑制作用[13]。HAMODA等[14]研究发现，采用活性污泥法处理高盐废水时，系统生物活性和有机物去除率均有提高；ASIAN等[15]研究表明，一定的盐度对微生物活性有促进作用；徐洁等[16]采用序批式曝气生物滤池工艺处理含海水的污水，发现AOB的耐盐能力高于NOB。因此，可通过添加盐度驯化的方式，抑制NOB的活性，实现短程硝化。短程硝化技术应用前景广泛，但通过活性污泥法进行短程硝化，稳定性较难控制，且硝化细菌本身作为自养菌生长缓慢，非常容易从反应器中流失[17]，这都增加了短程硝化工艺运行的困难。
包埋固定化技术通过包埋材料(人工或天然高分子材料)将游离细胞或者酶定位于限定区域，使其保持活性并可反复利用，是一种有效的防止菌体流失、提高反应器内生物量的生物截留手段[18-20]。与活性污泥法相比，包埋固定化技术具有处理效率高、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度高、固液分离效果好等优点[21]。因此，本研究采用水性聚氨酯(waterborne polyurethane，WPU)为包埋材料制作硝化包埋颗粒，研究盐度及曝气时间对包埋颗粒短程硝化效果的影响，并以盐度为控制因素探究其对连续流短程硝化反应器启动及运行的影响，以期为包埋固定化技术与短程硝化工艺的耦合脱氮提供参考，并为含盐废水的处理提供参考。
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实验所用硝化污泥取自青岛市某污水处理厂消化池，具有良好的硝化性能。选取一定量的污泥，采用0.1 mol·L−1盐酸进行酸化处理，之后采用去离子水和PBS缓冲溶液各洗3次，以去除污泥中残留的
NH+4 -N，得到水泥复合物。以质量分数计，将10%的WPU与90%的水泥复合物混匀，依次加入10%的四甲基乙二胺，4%的过硫酸钾溶液(KPS)和3%的粉末活性炭，迅速搅拌均匀，约30 min后，混合液凝胶成固态，将固态胶体切割成3 mm×3 mm×3 mm的立方体，得到包埋固定化颗粒。制得的包埋颗粒为黑色，在水中呈均相，具有良好的物理强度和化学稳定性。包埋剂(WPU)和交联剂/引发剂(四甲基乙二胺、KPS)均为分析纯。图1为包埋颗粒的数码照片。 -
为研究不同盐度对包埋颗粒短程硝化反应过程的影响，采用6个250 mL的锥形瓶作为SBR进行批次实验，图2为实验反应装置。包埋颗粒投加率为10%，初始
NH+4 -N浓度为100 mg·L−1。反应器进水NaCl浓度分别为0、5、10、20、30、50 g·L−1，运行周期为12 h，包括进水5 min，出水5 min。以曝气砂头曝气，曝气量维持为0.1 L·min−1；通过NaHCO3调节pH至7.5~8.0；通过恒温振荡箱，将反应器温度控制在30 ℃。实验采用人工配水。周期结束后，检测出水ρ(NH+4 -N)、ρ(NO−2 -N)和ρ(NO−3 -N)，分析氨氮去除率(ηA)、NO−2 -N积累率(RNAR)和硝酸盐积累率(R硝酸盐积累率)的变化情况，以判断不同盐度对短程硝化反应的影响。在SBR反应系统中，继续进行不同曝气时间下的批次实验，运行条件与不同盐度下的批次实验条件相同。每隔2 h取水样，测定一个SBR周期(12 h)内各形态氮(
NH+4 -N、NO−2 -N、NO−3 -N)含量的变化情况，并计算ηA、RNAR和R硝酸盐积累率。ηA、RNAR和R硝酸盐积累率分别按式(1)~式(3)计算。式中：ηA为氨氮去除率；ρ进水(
NH+4 -N)、ρ出水(NH+4 -N)分别为进、出水NH+4 -N浓度，mg·L−1；RNAR为亚硝态氮积累率；ρ出水(NO−2 -N)为出水NO2−-N浓度，mg·L−1；R硝酸盐积累率为硝酸盐积累率；ρ进水(NO−3 -N)、ρ出水(NO−3 -N)分别为进、出水NO3−-N浓度，mg·L−1。 -
实验采用连续流的升流式厌氧污泥床(up-flow anaerobic sludge bed，UASB)反应器，实验装置见图3。反应器由有机玻璃制成，有效容积为5 L，采用下部进水，上部出水的方式。包埋颗粒投加率为10%。反应器上部设有溢流堰，防止包埋颗粒随出水流出。以曝气砂头曝气，维持曝气量为0.1 L·min−1；通过加热棒维持反应器内温度为30 ℃，通过NaHCO3维持pH至7.5~8.0，HRT为8 h。周期结束后，检测出水ρ(
NH+4 -N)、ρ(NO−2 -N)和ρ(NO−3 -N)。 -
实验采用人工模拟废水，
NH+4 -N由NH4Cl提供。主要成分如下：NH4Cl 305 mg·L−1，NaCl 20.5 mg·L−1，KCl 9.6 mg·L−1，NaHCO3 468 mg·L−1，CaCl2·2H2O 9.6 mg·L−1，MgSO4·7H2O 33.6 mg·L−1，NaH2PO4·12H2O 46.4 mg·L−1。微量元素[22]添加量为1 mL·L−1，主要成分下：FeSO4·7H2O 1 g·L−1，MnCl2·4H2O 0.2 g·L−1，CuSO4·5H2O 0.1 g·L−1，CoCl2·6H2O 0.3 g·L−1，H3BO3 0.2 g·L−1，ZnSO4·7H2O 0.2 g·L−1，NiCl2·6H2O 0.2 g·L−1。 -
NH+4 -N：纳氏试剂分光光度法；NO−2 -N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO−3 -N：麝香草酚分光光度法[23]；DO：JPBJ-608便携式溶解氧测定仪；pH：PHS-3C pH计。 -
取25 mL成功启动短程硝化反应器的包埋颗粒于250 mL锥形瓶中，加入模拟废水。以NH4Cl配制不同浓度的
NH+4 -N溶液，其余组分同表1模拟废水成分。将锥形瓶放入30 ℃恒温振荡培养箱中，120 r·min−1振荡培养。pH为7.5~8.0，维持曝气量为0.1 L·min−1，间隔8 h，取样测定水中NH+4 -N浓度，对包埋颗粒的基质动力学进行分析。 -
不同盐度对包埋颗粒短程硝化的影响。以硝化污泥制作包埋颗粒，按填充率10%投入反应器中。通过批次实验研究不同盐度对包埋颗粒短程硝化反应的影响，反应器进水
NH+4 -N浓度为100 mg·L−1，NO−2 -N和NO−3 -N浓度均为0 mg·L−1。图4为不同盐度系统中ηA、RNAR和R硝酸盐积累率的变化。向锥形瓶中投加NaCl后，ηA及RNAR均受到不同程度的影响。由图4(a)可知，由于NaCl的突然加入，系统内的微生物活性出现了短暂的下降，分析认为，可能是微生物不能马上适应在盐环境下生长，活性受到抑制。此时ρ(NaCl)为0 g·L−1的系统中ηA最高。运行一段时间后，包埋颗粒系统中的微生物开始适应盐环境。这可能是由于在长时间的选择与淘汰中，包埋颗粒系统中不能适应有盐环境的微生物受到抑制，能适应环境的菌群通过不断调节已经从被迫改变到积极适应[24]，成为优势菌群[25]，使处理效果有了进一步提高。从第4天开始，ρ(NaCl)为5 g·L−1和10 g·L−1的系统中，ηA开始呈现上升趋势，并分别在第9天和第8天超过ρ(NaCl)为0 g·L−1的系统；随着反应器的持续运行，ηA逐渐趋于稳定。其中ρ(NaCl)为0 g·L−1时，ηA始终维持在45%以上；ρ(NaCl)为5 g·L−1系统中，ηA在第9天后稳定在50%左右，ρ(NaCl)为10 g·L−1系统中，ηA在稳定运行后维持在55%以上；ρ(NaCl)为20 g·L−1的系统中，ηA也存在上升趋势，但低于0 g·L−1的系统；而ρ(NaCl)为30 g·L−1和50 g·L−1系统中，高盐环境使AOB和NOB的活性被抑制，氨氮去除受到影响，稳定运行后ηA仅为20%左右。
由图4(b)和图4(c)可知，ρ(NaCl)为0 g·L−1和5 g·L−1系统的RNAR基本为0%，而R硝酸盐积累率可达到40%以上，系统中的
NH+4 -N基本都经过硝化反应由NO−2 -N转化为NO−3 -N，为全程硝化反应。ρ(NaCl)为10 g·L−1系统中，RNAR呈现逐步上升的趋势，经过6 d的运行之后，RNAR达到90%，而R硝酸盐积累率趋于0%。ρ(NaCl)为20 g·L−1的系统中，RNAR稳定后可达到80%以上。ρ(NaCl)为30 g·L−1和50 g·L−1系统中，RNAR较低，且出水NO−3 -N浓度基本为0 g·L−1，表明系统内NOB的活性受到了抑制，不能完成将NO−2 -N氧化为NO−3 -N的过程。由此可见，盐度可作为脱氮系统中脱氮种群的抑制剂，在长期运行条件下，NOB菌群的活性被抑制，实现AOB菌群的优化，使短程硝化过程得以实现；但是盐度过高也会抑制AOB的活性。在不同的盐度条件下，AOB和NOB受到的抑制程度不同；在相同的盐度条件下，AOB比NOB有更强的耐盐性。叶柳[26]通过微生物计数实验(MPN法)发现，虽然盐度对AOB和NOB都有抑制作用，但2种菌群对盐度的适应能力不同，AOB的耐盐能力要强于NOB；雷中方[27]通过实验证明，废水中含盐量的增加，可能导致微生物的正常代谢功能遭到破坏；CUI等[28]的研究表明，无机盐对NOB有较强的抑制能力，可以通过向普通废水中投加无机盐实现短程硝化。通过分析可知，当盐度超过10 g·L−1时，NOB的活性受到抑制；超过20 g·L−1时，盐度的升高使细胞渗透压增大[29]，不利于细胞内底物和氧的传递，导致AOB的活性也受到抑制。因此，10 g·L−1 NaCl浓度下短程硝化效果较好，可作为包埋系统短程硝化反应器的启动盐度。
曝气时间对包埋颗粒短程硝化稳定性的影响。通过控制盐度运行短程硝化反应器后，继续进行批次实验，研究曝气时间对包埋颗粒短程硝化稳定性的影响。测得系统中不同曝气时间下各系统出水三氮浓度、ηA和RNAR的变化，如图5所示。实验进水 NH+4 -N浓度为100 mg·L−1，曝气量为0.1 L·min−1，系统内DO浓度小于1 mg·L−1。由分析可知，ρ(NaCl)超过20 g·L−1时AOB和NOB活性均受到抑制，系统短程硝化效果受到影响，因此，ρ(NaCl)为30 g·L−1和50 g·L−1系统不再进行稳定性实验。由图5可见，ρ(NaCl)为0 g·L−1的系统中，ηA呈现先上升后下降的趋势，曝气时间为8 h时达到最大值47%，随后开始下降；RNAR随曝气时间的增加而下降，基本趋于0%。ρ(NaCl)为5 g·L−1时，ηA在8 h时达到最大值41%，而RNAR仅为3.04%。ρ(NaCl)为10 g·L−1，曝气时间为8 h时系统的短程硝化效果最好，此时系统出水ρ(
NH+4 -N)为42 mg·L−1，ηA可达到56%；出水ρ(NO−2 -N)为50 mg·L−1，RNAR达到96%。ρ(NaCl)为20 g·L−1时，ηA和RNAR分别在曝气时间为8 h时达到50%和90%，短程硝化效果低于ρ(NaCl)为10 g·L−1的系统。由图5可知，各系统在不同曝气时间下包埋颗粒短程硝化的效果是不同的。进水ρ(NaCl)为10 g·L−1，曝气时间为8 h时RNAR最高，短程硝化稳定性最好。虽然在低DO环境下，AOB对氧的亲和力大于NOB，但当曝气时间超过8 h时，NOB会逐渐适应低氧环境，且大量
NO−2 -N的存在为NOB提供了基质[30]。如不控制曝气时间，NO−2 -N会在NOB的作用下向NO−3 -N转化，导致RNAR下降，短程硝化转化为全程硝化。因此，维持短程硝化反应需要保持一定的曝气时间，以实现NO−2 -N的积累。 -
由批次实验可知，10 g·L−1 NaCl浓度可用于启动包埋颗粒短程硝化反应器。图6为连续流UASB反应器运行期间进、出水中
NH+4 -N、NO−2 -N、NO−3 -N的浓度变化。进水NH+4 -N浓度为100 mg·L−1，NO−2 -N和NO−3 -N浓度均为0 mg·L−1。可以看出，包埋颗粒从第1天开始就出现NH+4 -N的去除，ηA为34.82%，表现出良好的性能。但系统的短程硝化效果不稳定，第11天时，ηA仅达到11.70%，原因可能是，包埋颗粒在反应器内分布不均匀，导致出水水质受到影响。第15天向系统内投加10 g·L−1 NaCl，经过一段时间的盐度驯化后，包埋颗粒开始适应盐环境。第20天开始，出水中ρ(NH+4 -N)明显降低，并逐渐趋于稳定，ηA可稳定在50%以上。出水中ρ(NO−2 -N)从第20天开始逐渐升高，RNAR由第11天的10.25%增加到第50天的81.03%。由此可见，NaCl的加入抑制了NOB的活性，使NO−2 -N转化为NO−3 -N的过程受到影响，出水中ρ(NO−2 -N)升高而ρ(NO−3 -N)逐渐降低，RNAR增大。由分析可知，10 g·L−1 NaCl的加入初步实现了连续流UASB包埋颗粒短程硝化反应器的启动。盐度对短程硝化反应的影响在目前研究中的结果并不一致，就现有的研究[31]看，不同的工艺类型以及接种的生物来源(盐度驯化种群、非盐度驯化种群、或者耐盐种群)和处理废水类型(在大多数研究中采用人工配水)可能是造成目前研究很不一致的重要因素。王淑莹等[25]采用全程硝化反硝化研究SBR工艺的脱氮效果发现，7.5 g·L−1的NaCl浓度可以作为活性污泥系统短程硝化反硝化的启动盐度；一定浓度的NaCl盐度可以作为一种化学抑制剂实现对硝化菌的选择性抑制。崔有为等[32]的实验结果表明，采用MUCT工艺处理低含盐量的生活污水，在不超过8 g·L−1的盐度环境内，生物可以实现良好的处理效率，亚硝酸盐积累明显；叶柳等[24]在使用MUCT工艺处理含盐生活污水时，稳定盐度在10 g·L−1后，在好氧段实现了高的亚硝酸盐积累，从而通过回流至缺氧段实现了短程脱氮。由此可见，在不同的运行工艺条件下，盐度对短程硝化反应会造成不同的影响。此外，有研究[32]表明，不同功能菌群对盐度耐受能力与盐度实施的选择作用有关，不同种属的微生物或不同功能的微生物耐盐能力有差异，这种差异表现在应对盐度抑制时不同的调节能力上。
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选用成功启动短程硝化反应器的包埋颗粒，在10 g·L−1盐度、8 h的曝气时间下进行动力学实验，以测定包埋颗粒的基质动力学特性。包埋颗粒的短程硝化动力学过程受
NH+4 -N浓度的限制，在处理过程中，高氨氮环境会形成较高浓度的游离氨(FA)[33]。FA是AOB的生长基质，高浓度FA会对AOB的氨氧化过程产生抑制；且NOB对FA有潜在的适应性，在反应器运行后期，FA对NOB的抑制会大幅降低[34]。因此，研究NH+4 -N对包埋颗粒短程硝化的基质抑制特性有利于进一步强化短程硝化效果。假设在实验过程中氨氧化菌细胞数量不发生变化，且反应器内始终处于完全混合状态，那么可用Haldane模型[35]对包埋颗粒短程硝化的动力学特性进行描述，其计算公式见式(4)。式中：v为反应速率，kg·(kg·d)−1；vmax为最大反应速率，kg·(kg·d)−1；S为基质浓度，mmol·L−1；Km为半速率常数，mmol·L−1；Ki为半抑制常数，mmol·L−1。实验测得，包埋颗粒短程硝化速率与基质浓度的对应关系见表1。
通过origin软件，以Haldane模型对表1中实验数据进行非线性拟合，得到包埋颗粒对NH4+-N的动力学方程。由基质浓度降解曲线，计算出包埋颗粒的最大氨反应速率(SAA-
NH+4 -N)[36]。由图7可知，包埋颗粒最大氨反应速率(SAA-NH+4 -N)为1.98 kg·(kg·d)−1，对氨的半速率常数为1.60 mmol·L−1，氨的半抑制常数为468 mmol·L−1，R2为0.957，表现出良好的相关性。较高的反应速率可以促进基质的转化，而包埋颗粒对氨的半速率常数较小，表明其对基质的亲和力较大，利于短程硝化反应的进行[18]。因此，10 g·L−1盐度系统中的包埋颗粒具有优良的动力学特性，有助于短程硝化反应器的高效运行。 -
1)研究表明，盐度对包埋颗粒短程硝化反应器的启动存在一定的影响。在NaCl浓度为10 g·L−1的盐度系统中，硝化污泥包埋颗粒的ηA和RNAR最高，分别可达到55%和90%，成功实现了包埋颗粒的短程硝化反应；控制曝气时间可以保证包埋颗粒短程硝化过程的稳定运行，进水ρ(NaCl)为10 g·L−1，曝气时间为8 h时系统的短程硝化效果最好，ηA可达到56%，RNAR达到96%。
2)在NaCl浓度为10 g·L−1，曝气时间为8 h的条件下可实现包埋颗粒UASB反应器的初步启动，ηA和RNAR分别可达到50%和80%以上；基质动力学研究表明，包埋颗粒对氨氮的动力学特性符合Haldane基质抑制动力学模型，包埋颗粒具有优良的动力学特性。此项研究可为含盐废水的氨氮处理提供参考。
盐度和曝气时间对包埋颗粒短程硝化启动的影响及其动力学分析
Effect of salinity and aeration time on the start-up of partial nitrification of immobilized particles and its kinetics analysis
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摘要: 针对短程硝化反应器启动时间长、效果不稳定等问题，使用水性聚氨酯(WPU)制作硝化污泥包埋颗粒，利用SBR设置盐度梯度以及不同曝气时间进行批次实验，启动短程硝化；通过控制最佳反应条件启动UASB短程硝化反应器，同时进行动力学分析。结果表明：在批次实验过程中，随着盐度的增加，氨氮去除率(ηA)及
NO−2 -N积累率(RNAR)先上升后下降。当NaCl浓度为10 g·L−1时，短程硝化效果最佳，ηA为55%，RNAR为90%；不同曝气时间对短程硝化的稳定性有较大的影响，曝气时间为8 h时短程硝化效果最稳定，ηA和RNAR分别达到56%和96%。控制NaCl浓度为10 g·L−1，HRT为8 h，成功实现了UASB短程硝化反应器的启动；包埋颗粒对氨氮的动力学特性符合Haldane基质抑制动力学模型，具有优良的动力学特性。研究可为包埋颗粒与短程硝化工艺的耦合脱氮提供参考，并为含盐废水的处理提供技术支持。Abstract: In view of the long start-up time and unstable effect of partial nitrification reactor, waterborne polyurethane (WPU) was used to prepare the immobilized particles of nitrification sludge. The partial nitrification was started up through batch tests in the SBR reactor at different salinity gradients and different aeration times. The UASB partial nitrification reactor was started up by controlling the optimum conditions, and the kinetic analysis was performed simultaneously. The results showed that the ammonia nitrogen removal rate (ηA) andNO−2 -N accumulation rate (RNAR) increased firstly and then gradually decreased as the salinity increased in batch tests. The partial nitrification effect reached the best when the NaCl concentration was 10 g·L−1, and ηA and RNAR were 55% and 90%, respectively. Different aeration time had a great influence on the stability of partial nitrification. The partial nitrification effect was the most stable when the aeration time was 8 h, and ηA and RNAR reached 56% and 96%, respectively. The UASB reactor was successfully started up by controlling the NaCl concentration at 10 g·L−1 and HRT at 8 h. The kinetics of the immobilized granules on ammonia nitrogen was in accordance with the Haldane matrix inhibition kinetics model, which indicated that the immobilized granules had excellent kinetic characteristics. The study can provide a reference for the coupling denitrification of immobilized granules and partial nitrification processes, and provide technical support for saline wastewater treatment.-
Key words:
- immobilized granules /
- partial nitrification /
- salinity /
- start-up /
- aeration time /
- kinetic analysis
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塑料的商业生产始于20世纪50年代[1]，现广泛应用于包装、医疗、农业等行业，仅2019年全球塑料产量就高达3.68亿吨[2]。塑料在光照辐射、机械磨损、风化侵蚀、动物和微生物的作用下，可逐渐分解成粒径更小的塑料颗粒[3]。微塑料(microplastics, MPs)的概念最早出现在2004年Science发表的一篇文章[4]，定义为粒径小于5 mm的塑料颗粒[5]，粒径小于100 nm的被称为“纳米塑料”(nanoplastics, NPs)[6]。MPs通过大气、洋流等作用在全球范围内长距离运输[7]，并在环境中持续存在和积累。水体[8]、沉积物[9]、土壤[10]、大气[11]甚至深海和极地都能检测到MPs[7]。尽管多项研究回顾了MPs在水环境中的发生、分布、生态风险及水体MPs与其他污染物的环境地球化学行为[8, 12-13]，但关于陆地MPs的综述论文却很少[14-15]。陆地MPs是海洋MPs的主要来源，其MPs污染程度可能是海洋的4—23倍[16]。土壤作为陆地系统中MPs的汇[17]，对MPs的储存和转移起着至关重要的作用[18]。因此，充分认识MPs在土壤环境中的丰度、来源、迁移和生态毒性对于科学评估和源头控制土壤MPs污染十分关键。
在Web of Science核心数据库中以“microplastics”和“soil”为关键词进行了搜索(截至2021年8月21日)，产生了608篇文献。通过共现网络分析(图1)，发现土壤环境MPs的研究始于2016年，相关研究主要包括：1)土壤类型，全球学者普遍注重农田土壤MPs的研究；2)MPs的来源，包括未合理处置的塑料垃圾、污泥堆肥、有机肥料的施用、污水灌溉和地膜覆盖等；3)MPs的分析方法，包括采样、分离(筛分、密度分离、消解等)、鉴定(目检法、光谱法、热解质谱分析法等)；4)土壤MPs的丰度、类型(如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS))、形状(如纤维、薄膜、碎片、颗粒等)；5)MPs的生物效应，包括对植物、动物和微生物的影响。由此可见，MPs的来源、种类、分布、检测方法及生态健康风险是当前土壤MPs污染研究的热点方向。已发表的文献中，Praveena等[19]、陈雅兰等[20]较为全面的综述了土壤中MPs的提取与鉴定方法，郝爱红等[14]、Zhao等[15]从土壤中MPs的来源、迁移、分析方法、污染特征和生态风险等方面入手，揭示了土壤MPs的归宿和生态风险，但有关土壤MPs与多种有害污染物共同暴露的生物毒性、土壤中老化或降解MPs的生态风险鲜有报道。有学者对全球土壤MPs污染做了简单的总结[17, 21]，但所收集的数据不够全面。因此，本文在总结最新国内外研究进展的基础上，从土壤环境中MPs的来源、丰度、迁移及其生态健康风险方面进行了综述，并提出了相关领域未来的研究重点。相比先前的研究，本文更加全面的总结了土壤中MPs的丰度，通过绘制分布图以更加直观的形式展现了全球土壤MPs污染，并将土壤老化/降解MPs的生态风险以及MPs的复合污染毒性和潜在生态风险展开了系统地回顾和展望，填补该领域综述论文的空白。本文将为评估土壤MPs潜在的生态健康风险提供有价值的参考。
图 1 已发表论文中以“微塑料”、“土壤”为关键词的共现网络分析图[22]。Figure 1. Co-occurrence network analysis of published research papers with “microplastics” and “soil” as keywords每个节点(关键词)大小与其出现频次成正比，连线颜色表示论文发表年份，数据截至2021年8月21日1. 土壤MPs的来源、丰度和迁移 (Source, abundance and migration of soil MPs)
1.1 土壤MPs的来源
土壤中MPs的来源十分广泛(图2)，人们日常生活(如未合理处置的塑料垃圾)和农业活动(如污泥堆肥、有机肥施用、地膜覆盖及农田灌溉等)产生的MPs会直接进入土壤[23-26]，或通过地表径流[27]和大气沉降[28]间接输送到土壤环境。
图 2 土壤中MPs的来源与迁移Figure 2. Origin and migration of MPs in soil(红色和黑色箭头/文字分别表示MPs的来源和迁移路径)1.1.1 未合理处置的塑料垃圾
土壤中存在着与水环境类似、种类繁多的MPs碎片[29]，它们与塑料污染密不可分。根据目前的塑料废弃物管理趋势预测，2050年全球产生的塑料垃圾中将有120万吨进入垃圾填埋场或自然环境[30]，必然会对生态环境造成影响。日常生活使用的一次性塑料袋/瓶、口罩/手套、衣服等均含有塑料，如使用后被随意丢弃在路边或非法倾倒地点[31]，会造成附近土壤塑料污染。作为塑料垃圾的重要组成部分，塑料袋全球每年的消费量约为5000—10000亿个，其中900多亿个塑料袋不可回收[32]，可在环境中老化降解生成MPs。自2020年新冠疫情爆发以来，大量一次性口罩排放到环境中。据估计，2020年全球生产的一次性口罩约520亿个[33]。每片新口罩中可释放（183.0±78.4）个MPs，而使用过的口罩因附着了空气中的MPs会释放更多的MPs(每片（1246.6±403.5) 个) [34]。由此，未合理处置的一次性口罩引起的土壤塑料和MPs污染不容忽视。
1.1.2 污泥堆肥的长期积累
污泥堆肥可能导致土壤MPs的增加[24]。生活废水经污水处理厂，可大大减少MPs(去除率约99%)向水环境直接排放[24]，但未被处理的MPs通常积聚在污泥中[35]，由于污泥含有丰富的N、P、K等营养元素[36]，许多地区将污泥用作农田肥料[24]，MPs便由此进入土壤。不同国家污泥中MPs的含量与经济发展水平、人口密度和废物处置等因素有关[37]。对于经济发达、人口密度高的国家，因使用药品、个人护理品(PPCPs)及洗衣产生的污水量大[38]，污泥中MPs的含量相应较高。在欧洲和北美地区，每年通过污泥堆肥进入农田的MPs分别有约6.3×104—4.3×105和4.4×104—3.0×105吨[39]。土壤MPs的丰度随污泥施用量的增加而增加[24]。研究发现，在农田中仅施用一次污泥，15年后该区域土壤中仍可检测出塑料纤维[40]，表明MPs在土壤中难以降解，会产生持久性污染。
1.1.3 有机肥料的施用
有机肥料的重复施用除了会引起重金属和抗生素等污染残留[41]，还会导致土壤MPs污染，而后者常常被人们忽视[42]。研究发现，有机肥中普遍含有的MPs可能来自运输饲料的塑料管道、储存消毒剂或抗生素的塑料瓶[43]。江西鹰潭，猪粪中MPs的平均年丰度约为（1250±640）个·kg−1(干重)，施用了猪粪的农田中MPs的年均累积量约为（1.25±0.61）个·kg−1[42]；施用猪粪22年后的农田中MPs丰度（(43.8±16.2)个·kg−1)明显高于未施用猪粪的农田（(16.4±2.7)个·kg−1)[42]。德国是全球对肥料质量要求最严格的国家之一，但每年通过施用有机肥进入农田的MPs高达3.5×1010—2.2×1012个[26]。我国作为有机肥生产和使用大国，据估计，我国每年通过有机肥进入农田土壤中的MPs可达52.4—26400吨[3]。但该数据仅仅基于德国波恩、斯洛文尼亚等地区关于有机肥中塑料污染的报道[23, 26, 44]，并结合我国有机肥每年实际施用量(2200万吨左右)来进行估算的，该估算忽略了粒径小于0.5 mm的MPs，且缺乏我国有机肥中关于MPs丰度的报道，因此，未来的研究中还应多关注我国有机肥中MPs的污染情况，以便全面评估我国通过有机肥进入土壤的MPs量。
1.1.4 农业灌溉和地表径流
农业灌溉是MPs进入土壤的又一重要途径。据统计，全球每年生活污水产生量超过356 km3，处理后的出水中有23.8 km3主要用于农业灌溉[45]。生活污水中含有大量源于PPCPs和衣物的MPs。虽然常规的处理工艺可有效去除污水中绝大部分MPs，但出水中仍有残留的MPs通过农业灌溉进入土壤环境[15]。在部分水资源匮乏的国家，未经处理的污水也会被用于灌溉农田[23]。据报道，全球约有3.6×105 km2的农田是使用未处理或者部分处理的生活污水进行灌溉的[46]，必然会向土壤中输入更多的MPs。此外，天然水体中也存在MPs，例如：我国长江水中MPs高达6.6×103个·m−3[47]，珠江水中MPs的丰度介于397—7924个·m−3之间[48]，即使在偏远的内陆湖泊沿岸也有大量MPs存在，如青藏高原湖泊中MPs丰度可达（625±411）个·m−3[49]。这些水环境中的MPs也可通过灌溉或随地表径流进入土壤环境中。随着研究的深入，人们开始对生态环境敏感区(如青藏高原[49]、沙漠[50]、黄土高原[51])MPs污染进行研究，作为东南亚多条河流重要发源地的青藏高原，无处不在的MPs可能使其污染范围不断扩大到其他水系，或通过地表径流进入土壤环境，而该地区生态环境脆弱，存在调查难度大、恢复年限长等问题，未来的研究应该更加注重生态环境敏感区MPs污染及其健康风险评价。
1.1.5 地膜的广泛应用
地膜是农田土壤MPs污染的重要来源[23, 25]。2016年全球农用塑料薄膜市场交易量为400万吨，预计到2030年将以每年5.6%的速度增长[25]。全球约有1.29×105 km2的农田覆盖有地膜[52]，我国地膜使用量最大，占全世界地膜覆盖面积的90%[17]。从田地中去除地膜费时费力，大量被残留的地膜在阳光辐射等作用下逐步破碎裂解，形成MPs[29]。农田土壤中MPs的含量随覆盖时间的延长逐渐增加[17]。在我国石河子市，随着地膜连续覆盖时间从5年增加至30年，MPs丰度从10.10 mg·kg−1增加到了61.05 mg·kg−1[53]。目前，大力研制与推广的环保型可降解地膜是解决塑料污染最有效的途径，但研究表明，MPs对污染物(如抗生素、农药等)的吸附能力大小排序为：老化可降解MPs>可降解MPs>非可降解MPs，且老化程度越高对污染物的吸附量越大[54-55]，在这种情况下可降解地膜的使用，特别是地膜在环境中不可避免的老化行为，可能会给环境带来更大的生态危害，在未来的农业发展中应该重视这一问题。
1.1.6 大气沉降输入
土壤MPs也有部分来自大气中悬浮的塑料颗粒。多项研究表明，大气中存在MPs，如南海西北部大气中MPs的丰度为（0.035±0.015）n·m−3[56]。大气中的MPs主要来源于建筑材料、纺织品磨损、灰尘、道路油漆、轮胎和制动器磨损[57]。轮胎磨损产生的MPs主要来自各种车辆，全球车辆轮胎磨损的MPs排放量为人均0.81 kg·a−1[58]，飞机轮胎磨损释放的MPs相对较少，约占荷兰轮胎磨损MPs排放总量的2%[58]。空气中密度小的大塑料颗粒和MPs可通过大气沉降和风力传输沉积在城市或乡村陆地表面[59]，还可传输到偏远、人烟稀少的地区[28]。据报道，我国烟台市大气MPs沉降通量达1.5×105个·(m2 a)−1[60]；法国巴黎大气MPs沉降通量达2—355个·(m2 d)−1，且该地区每年有3—10吨的纤维被大气沉降物沉积[59]。由此可见，大气沉降是MPs沉积到陆地的重要途径。值得思考的是，粒径小于50 μm的MPs可以重新悬浮到大气中[61]，增加人体吸入MPs的风险，而多数国家并没有将大气中的MPs作为空气污染的一部分进行监测，为了明晰MPs对人类健康构成的潜在风险，将MPs纳入空气污染的监测范围迫在眉睫，尤其是在MPs污染严重的大城市。
总体来看，国内外大量关于土壤中MPs的来源研究仅停留在对来源的简单陈述，只有少部分做了MPs的溯源追踪方法。目前，环境中MPs的溯源方法主要集中于水体和沉积物，通过非仪器分析法(目视分析法、密度分析法、灼烧分析法等)从MPs的颜色、形状、密度等特性初步判识MPs的外观及用途[62]，或通过仪器检测(光谱分析法、显微分析法、色谱质谱分析法等)判识MPs的化学成分及结构[63]，两者相结合可追溯环境中MPs的来源。从已有研究成果来看，土壤MPs的溯源依旧没有可靠且简单易行的检测方法。值得注意的是，进入到环境的塑料碎片和MPs，由于各种物理化学作用，最终会破碎形成NPs，更小的粒径以及颜色、形状等特性不够显著增加了对MPs来源追溯的难度，因此亟需建立适合更小粒径的NPs的检测方法和理化指标。
1.2 土壤MPs的迁移行为
MPs在土壤中可发生水平和垂直迁移[64]，其迁移行为受土壤和MPs理化性质的影响[21, 65]。土壤的理化性质(包括孔隙度、土壤质地、矿物和腐殖质含量等)对MPs的迁移有重要影响。土壤的孔隙大小由其质地决定，可直接影响MPs的迁移[30]，砂土表面的MPs在渗透作用下可垂直迁移至距地表1.5—7.5 cm的土壤中[66]。由于土壤裂缝，干燥气候可能会加速MPs向下移动[66]。土壤矿物和腐殖酸共存时会增加MPs的垂直传输距离(9—10 cm)[67]。Wu等[68]发现, PS微球的迁移能力随土壤矿物(Fe/Al氧化物)含量的增高而降低，这是由于带负电的MPs与带正电的Fe/Al氧化物发生静电吸引所致。此外，MPs的特性(包括粒径、形状、电荷和表面化学等)也会影响其在土壤中的迁移。当MPs的粒径小于土壤孔隙尺寸时，MPs能通过土壤孔隙和裂缝向下移动，粒径小的MPs也容易被土壤动物摄食而转移到更深层的土壤中[69-70]。由于MPs与土壤团聚体的相互作用不同，不同形状的MPs可能对土壤中MPs的迁移产生阻塞作用影响其迁移行为[65]。如：塑料微球和微粒比微纤维更易下移到土壤深层，因为微纤维与土壤颗粒缠结形成土块后无法迁移[71]。高密度的MPs(如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯))可能会因重力作用而促进其在土壤中的迁移[72]。表面含有羧基、磺酸基、低密度氨基官能团的PS微球，比含有高密度氨基官能团的PS微球更易在海沙中迁移，这是由于带正电的高密度氨基MPs与带负电的沙粒之间存在静电吸引，从而阻碍MPs的迁移行为[73]。
除了在土壤内部迁移外，土壤中的MPs也会在风力、气流、地表径流等作用下迁移到空气和水等环境介质中[64, 66]。土壤表面的MPs尤其是微纤维等轻质塑料颗粒，可以被风和气流抬升到空气中，最终长距离传播到其他陆地或地表水中[59]。此外，地表径流可促使MPs进入深层土壤甚至含水层。据报道，澳大利亚维多利亚州地下水中MPs的平均丰度为38个·L−1[74]，向地下水迁移的MPs可能带来新的环境问题，但目前仍缺乏对地下水MPs污染的环境风险预测、评估和防控研究。
1.3 全球土壤环境中MPs的丰度
我们收集了全球不同地区土壤环境中检出的MPs的理化性质和丰度，绘制了图3。目前，虽然只有少量研究报道了土壤环境中MPs的丰度情况，但可看出MPs广泛存在于多种土壤中(如农业土壤、公园土壤、湿地土壤、沙漠土壤等)，其丰度从几个·kg−1到数万个·kg−1不等，多数地区土壤MPs丰度在0—5×103个·kg−1之间，粒径大多小于1 mm[75-77]；MPs形状有纤维、薄膜、碎片、颗粒等，PP、PE、PS是土壤中最主要的聚合物类型。土壤环境中MPs的丰度普遍高于水和沉积物中的[8]，说明土壤环境是MPs重要的汇。在全球范围内，亚洲、欧洲、北美、大洋洲的土壤环境中都发现了MPs，且不同地区丰度差异较大。从图3中可看出，智利梅利皮利亚县田地因长期施用污泥导致土壤MPs丰度高达18000—41000个·kg−1，明显高于其他地区[24]；西班牙东南部穆尔西亚蔬菜农田土壤和墨西哥坎佩切家庭花园土壤中也检测到了数量较高的MPs，丰度分别为（2116±1024）个·kg−1和（870±1900）个·kg−1[78-79]；但德国石勒苏益格-荷尔斯泰因州农田表层土壤中MPs仅有（5.8±8）个·kg−1[80]，且该国弗兰科尼亚中部农田中MPs的丰度最低，仅为（0.34±0.36）个·kg−1[81]。
图 3 文献报道的全球部分地区土壤环境MPs污染情况Figure 3. MPs pollution of soil environment in some regions of the world reported in the literatures(数据更新于2021年10月，没有标记的区域不代表没有MPs污染)(Updated in October 2021, unmarked areas do not represent no MPs contamination)作为最大的塑料生产国和消费国[82]，我国土壤MPs污染引起了越来越多的关注。在我国大多数受人为活动影响较少的土壤中MPs含量较低，如山东东营黄河三角洲湿地无植物覆盖的土壤和长江沿岸休耕的土壤中MPs丰度仅为60个·kg−1[83]和（28.4±22.0）个·kg−1[84]；但农业土壤中MPs的含量通常较高，如:云南滇池柴河流域土壤MPs丰度为7100—42960个·kg−1[85]；湖北武汉、山东寿光的农田土壤中也含有较高丰度的MPs(4.3×104—6.2×105、275—4165个·kg−1)[76-77]，这可能是塑料地膜老化降解、污泥施用和污水灌溉所致。而少数地区如黄土高原[51]、上海菜地[75]等农田土壤中MPs丰度较小。在工业活动频繁的地区，也可能会引入较高丰度的MPs，广东贵屿电子废物拆解区土壤中MPs的丰度达34100个·kg−1[86]。沿海地区可通过海水养殖、旅游和港口建设等活动引入大量MPs[87]。一些偏远地区也存在少量MPs，可能是通过游客活动、卡车轮胎磨损和农用地膜引入的[88]，或与大气传输有关。
土壤中MPs的垂直分布没有明显的规律[76]。例如我国上海郊区[75]、山东寿光[76]和德国石勒苏益格-荷尔斯泰因州[80]农田中表层土壤MPs丰度高于深层土壤MPs丰度，黄土高原[51]、山东胶州湾菜地和果园土壤[89]、毛里求斯农业土壤[90]中深层土壤含有更多的MPs，而我国云南滇池柴河流域农田[85]和墨西哥家庭花园[79]的表层和深层土壤MPs含量无显著差异。不同地区土壤MPs垂直分布可能会受到土壤翻耕、地表径流等因素的影响[51]，动物的摄食和排泄行为也可能影响MPs在表层和深层土壤之间的垂直转移[58, 64]。此外，少数研究还报道了土壤质地、植被覆盖、栽培时间、恢复年限等与MPs丰度的关系[50, 76, 85]。例如: 我国山东寿光的农业土壤和砂质壤土中MPs丰度显著高于粉质壤土[76]，毛乌素沙漠土壤MPs丰度高于草地和林地[50]；设施栽培时间>25与<10年的农田土壤中MPs丰度差异不显著，表明早期的设施栽培措施导致土壤中MPs的累积数量不高[85]。由此可见，土壤中MPs无处不在，不同地区土壤MPs污染水平之间的差异是人类农业活动、工业生产等因素共同作用的结果。值得注意的是，已有研究采用的分离、计数MPs的方法不一，在单位上也有区别，可能会低估或高估了土壤中MPs的真实污染水平。因此，未来的研究亟需建立土壤MPs分离和检测标准。在深层土壤中，MPs受阳光辐照的影响减小，且可降解塑料的微生物种群较少[91]，这意味着土壤深处MPs的老化降解可能减慢，其持久性可能会更长。那么，除了表层土壤，检测深层土壤中MPs的含量才能全面评估土壤中MPs的污染状况。
2. 土壤MPs污染的生态健康风险（Ecological health risks of soil MPs pollution）
土壤MPs可通过多种途径对生态系统构成潜在威胁(图4)。MPs的存在可直接影响土壤动植物、微生物的生长[92-94]，后经食物链的积累和传递可能对人体健康构成潜在威胁[79]。土壤MPs在土壤环境中能够吸附多种污染物质(如重金属、抗生素、农药等)[58, 95]，或与自身释放的添加剂(如增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂等)形成复合污染[96]，这会给土壤动植物的生长带来极大的危害，而土壤环境中的MPs大多处于老化/降解状态，较原生MPs对污染物表现为更高的吸附能力[97]，可能会对土壤生态系统构成更大的威胁。
2.1 MPs对陆生植物的影响
MPs进入农业土壤会对植物产生暴露，阻塞种子孔隙、限制根吸收水和养分[92]，影响植物的芽高、生物量和发芽率等[98-100]。Bosker 等[101]发现，绿色荧光塑料颗粒(50、500、4800 nm, 107个·mL−1)因堵塞种子的荚膜孔道会限制水芹种子发芽。而含PP、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和PET的土壤MPs能促进番茄植株的生长，但会延迟结果和降低果实产量[102]。MPs还可通过改变土壤结构、容重、持水能力和营养成分[103-104]，间接影响植物根系性状、生长状态和养分吸收[99, 105]。de Souza Machado等[100]发现，MPs污染使得土壤容重降低，通气增加，有助于植物根系渗透到土壤中。然而，MPs(如微纤维)也会缠住幼根，阻碍幼苗的生长[92]。
MPs对植物生长的影响与其类型、暴露浓度、粒径等因素有关。de Souza Machado等[105]发现，PA、PE、HDPE、PP(均为2.0%)均会改变大葱的生物量、元素组成和根系性状，其影响程度因聚合物类型而异。Boots等[98]对比研究了生物降解的聚乳酸(PLA, 65.6 μm, 0.1% W/W)和难降解合成纤维((丙烯酸(AA)和尼龙混合物), 0.001% W/W)对黑麦草发芽的影响，发现两种MPs均会降低发芽率，PLA还会降低芽高。Qi等[99]也报道了类似的结果，即1%的淀粉基生物降解塑料和PE均抑制了小麦生长，且前者比后者的抑制作用更强。由此，生物降解材料来源的MPs对植物可能产生更强的毒性效应，值得进一步研究。一些研究表明粒径大小不同的MPs对植物的影响也不同，与5 μm PS(10、50、100 mg·L−1)相比，100 nm PS对蚕豆的生长抑制作用、遗传毒性和氧化损伤更强[106]。但目前，对于MPs在植物中的积累和转运以及对植物的毒性作用和机制等的认识仍不清楚。
2.2 MPs对陆生动物的影响
MPs被动物摄入后会影响其摄食行为、生长和繁殖[107]。与水生动物相比，MPs对陆生动物影响的生态毒理学研究非常有限，且主要集中在无脊椎动物(如蚯蚓)[93]。已有研究证实MPs暴露对蚯蚓的毒性作用主要包括抑制生长、体重减轻、肠道损伤、免疫响应、肠道微生物群落的改变，以及死亡率增加[70, 108-109]。少数研究报道了土壤MPs也会影响蜗牛[110]、土壤线虫[111]、小鼠[112]等的健康。MPs对动物的影响存在剂量-效应关系。Huerta Lwanga等[107]发现，0.2%的PE(<150 μm)对蚯蚓(Lumbricidae)的生长和存活没有影响，但较高的添加量(1.2%)有抑制作用。Cao等[108]同样发现，低剂量(≤0.5%)的PS(58 μm)对蚯蚓生长的影响不明显，但高剂量(1%、2%)的MPs显著抑制了蚯蚓的生长，死亡率达40%。PS(0.05—0.1 μm)在高暴露量(10%)下可观察到蚯蚓肠道微生物群的明显变化[113]。虽然低浓度MPs暴露不会明显影响动物的生长和引起动物死亡，但会诱使动物组织病理损伤和免疫响应[70]。在评估MPs对动物健康的影响时，粒径是除暴露剂量之外的重要影响因素，Lei等[111]研究了不同粒径的PS(0.1、0.5、1.0、2.0、5.0 μm)对土壤线虫(Caenorhabditis elegans)的影响，发现相同质量浓度(1 mg·L−1)下1.0 μm PS暴露后土壤线虫的存活率最低。然而，对于MPs对陆生动物的潜在影响，如MPs在动物组织中的积累和运输、MPs对动物的毒性作用和机制等方面的认识仍存在空白。
2.3 MPs对土壤微生物的影响
MPs内含或吸附的有机物可为微生物提供碳源[21]，微生物在MPs表面定殖后形成生物膜[114]，继而构成具有特殊微生物群落组成和功能的“塑料圈”[115]。研究发现，电子拆解厂区域的MPs(如PP、聚碳酸酯(PC)和ABS)及其周围环境的细菌群落存在显著差异，这可能是因为MPs为微生物提供了新的生态位[116]，或通过改变土壤理化性质(如破坏土壤结构、降低土壤密度、改变土壤持水能力等)影响了微生物的群落结构和功能[65, 117]。添加MPs后土壤微生物群落多样性的影响研究还处于起步阶段，Huang、Judy等[118-119]认为，HDPE(<2 mm, 0.1%、0.25%、0.5%、1% W/W)、PVC(<2 mm, 0.01%、0.1%、0.25%、0.5%、1% W/W)、PET(<2 mm, 0.1%、0.25%、0.5%、1% W/W)和LDPE(2 mm×2 mm, 0.076 g·kg−1)的存在并没有显著改变土壤微生物群落的丰度和多样性。但也有研究发现土壤中添加低或高浓度(1%、5%)的LDPE(678 μm)和高浓度(5%)的PVC(18 μm)均显著增加了β变形杆菌目(Betaproteobacteriales)和假单胞菌目(Pseudomonadales)的相对丰度，而高浓度的PVC(18 μm, 5%)显著降低了鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae)的丰度[120]。这些研究结果之间的差异可能与MPs的类型、浓度、以及土壤的理化性质有关。不同类型的MPs对微生物活性影响不同，PP颗粒(<180 μm, 7%、28%)对土壤微生物活性有积极影响[103]，然而，Lozano等[94]发现PP碎片(<5 mm, 20%)会降低土壤微生物活性，PS颗粒(32.6 nm±11.9 nm, 1000 ng·g−1)、LDPE(643 μm, 17%)也对土壤微生物活性显示出负面影响[65, 121]，de Souza Machado等[105]的研究也报道了类似的结果，但在这些研究中，MPs粒径、形状、大小和浓度各不相同，因此很难得出MPs对微生物毒性的一般性结论。
此外，MPs作为致病菌和耐药菌的载体[122]，可能影响土壤中ARGs的分布和迁移。MPs与ARGs在环境中广泛共存，由于ARGs对人类健康的潜在不利影响，其传播越来越受到关注。水生环境中，多项研究表明MPs(如PVC、聚乙烯醇(PVA))可影响ARGs的分布和传播[123]。在土壤中，PS(0.08—0.10 mm, 0.1%)的存在已被证实会增加抗生素和ARGs的保留时间[124]，Lu等[125]也得出了类似的结果，MPs可促进土壤中ARGs丰度和数量，但还需要更多的证据来证实MPs污染是否促进ARGs在土壤环境中传播的结论。此外，Zhu等[126]发现土壤温度和湿度的升高均显著提高了MPs上ARGs的丰度，因此，在全球气候变化的情况下，土壤MPs对ARGs影响需引起更多的关注。
2.4 MPs对人类健康的潜在影响
MPs可通过改变土壤理化性质、降低土壤肥力，影响土壤的生态功能和粮食生产[127]，对人类的生存和发展产生潜在影响。MPs也可经陆生食物链传递进入人体。MPs及其吸附的污染物可在动植物体内积累[79]，食用植物可以从土壤中吸收和积累微型(0.2 μm)荧光PS珠[128]，100 nm PS可以在蚕豆、生菜根中积累，然后运输到茎叶[106]。一些重要的家禽(如鸡)也可食用MPs[79]，而当人们食用被污染的家禽或蔬菜时，MPs可能在人体内大量积累。据估计，在墨西哥每人每年通过食用鸡肉就可摄入840个塑料颗粒[79]，MPs一旦进入人体，可能引起炎症与应激反应、产生生殖与发育毒性，或改变肠道微生物的组成和功能[129]。MPs(＜150 μm)可能会从肠腔转移到淋巴和循环系统，进而导致全身暴露[129]。Schirinzi等[130]证明了MPs(PS, 10 μm)和NPs(PS, 40、250 nm)可诱导人体细胞发生氧化应激，并在细胞水平上引起细胞毒性。MPs和NPs与免疫系统作用还可能会导致免疫毒性，进而引发不良反应(即免疫抑制、免疫激活和异常炎症反应)[131]。Prata[132]还发现，由于摄入MPs引起的慢性炎症和刺激可能会因DNA损伤而导致癌症。此外，常见的塑料添加剂，如邻苯二甲酸盐、阻燃剂、双酚A等，与生殖和发育障碍有关，可能引发乳腺癌、血液感染、青春期过早和生殖器缺陷[133]。目前开展的土壤MPs由食物链传递被吸食进入人体的研究还比较少，但已经在人类食物[129]和粪便[134]中检测到了MPs，甚至在人类胎盘、婴儿粪便、婴儿内脏中也发现了MPs的存在[135]，虽然没有证据表明这些MPs是来源于土壤环境，但该结果应该足以引起人们对土壤MPs的重视。此外，大气MPs或许能通过反射阳光辐射对气候有冷却效果[136]，而土壤中的MPs通过扬尘进入大气环境是否也有同样的效应，进而引起一系列的生态健康问题，如气候变化、水文调节及粮食安全等[137]。
2.5 MPs与其他污染物的复合污染毒性及生态风险
MPs因疏水性强、比表面积大[138]，可以吸附多种有机和无机污染物，如多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、重金属等[58, 95]，或与自身释放的添加剂(如增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂等)形成复合污染[96]，从而影响土壤动植物的生长。对植物来说，Gao等[96]发现当加入邻苯二甲酸二丁酯(DBP)时，PS (100—1000 nm、>10000 nm)加重了DBP诱导的植物毒性，增强了对生菜(Lactuca sativa L. var . ramosa Hort)的负面影响，且小粒径PS（100—1000 nm）对生菜的不利影响略大。Liu等[139]发现土壤中PE(200—250 μm，0.5%、1%、2%、5%、8% W/W)和菲(100 mg·kg−1)共同污染比单一处理对小麦幼苗(Triticum aestivum L. cv. NAU 9918)的毒性更强，PE的单一污染破坏了小麦叶片的光合系统，而PE和菲复合污染则加剧了这种破坏。MPs与土壤中重金属等无机污染物的复合污染也引起了人们的关注。Dong等[140]研究发现，在As(Ⅲ)存在下，大尺寸的PS(5 µm)可以迁移到胡萝卜的叶和根部，这是由于As(Ⅲ)增加了PS表面的负电荷，同时As(Ⅲ)也会导致细胞壁扭曲和变形，并导致更多的MPs进入胡萝卜，降低其质量。另一项研究表明，PET(<2 mm)还可以作为载体将重金属运输到小麦根际区域[141]。而Zong等[142]的研究表明，与单一重金属处理相比，PS(0.5 µm, 100 mg·L−1)与Cu2+、Cd2+的结合增加了小麦中叶绿素含量，增强了光合作用，减少了活性氧(ROS)的积累，表明PS(0.5 µm, 100 mg·L−1)对Cu2+、Cd2+的生物利用度和毒性具有缓解作用。对动物来说，Zhou等[143]发现PP(<150 μm, 0.03%、0.3%、0.6%、0.9%)与重金属(Cd, 8 mg·kg−1)二者联合暴露会对蚯蚓(Eisenia foetida)产生更强的负面影响，降低蚯蚓的生长速度并增加其死亡率。而另一项研究却发现，PVC可能通过吸附/结合As(Ⅴ)，降低As(Ⅴ)的生物利用度来缓解As(Ⅴ)对肠道菌群的影响，从而防止As(Ⅴ)的减少和总砷在肠道中的积累，降低对蚯蚓(Metaphire californica)的毒性[144]。然而，Sun等[145]发现，MPs(40—50 μm, 10 mg·kg−1、300 mg·kg−1)可显著增加毒氟磷杀虫剂在蚯蚓体(Eisenia fetida)内的生物蓄积性，加重对蚯蚓的氧化损伤和干扰代谢。Boughattas等[146]将MPs(100 µg·kg−1)和除草剂2,4-二氯苯氧乙酸(2-4-D)(7 mg·kg−1)共同暴露于土壤中，结果表明，MPs增加了蚯蚓中的2,4-D生物积累，破坏了溶酶体膜的稳定性和氧化状态，并增加了抗氧化基因的表达。
目前，不管是对MPs的单一毒性研究还是与其他污染物的复合毒性研究，都存在受试动植物类别有限、土壤类型单一、研究周期短等问题，且MPs的种类、大小和浓度与实际土壤环境有一定的差异，如实验室研究中所用MPs浓度往往会高于实际土壤环境中MPs的最大浓度（6.7%）[147]，未来的研究应在环境相关浓度条件下评估生态效应。更重要的是，没有充分考虑自然环境因素，真实土壤环境中MPs更多是处于老化或被生物膜定殖的状态，这无疑增加了MPs上的吸附位点，可能使得MPs上吸附的污染物更多，对陆地生态系统构成更严重的威胁。此外，粒径较小的MPs，特别是NPs，可能对陆地生态系统的健康风险更大[21]，应作为重点评估的对象。
2.6 MPs的老化/降解及其潜在生态风险
MPs在土壤中的长期积累可以进一步老化或降解[21]。除光照辐射、机械磨损、风化侵蚀外，土壤环境中动物群和微生物(如细菌和真菌)也可以降解MPs[21, 107, 148]。从土壤中分离得到的假单胞菌属细菌AKS2对LDPE的降解率在45 d内达到4%—6%[149]，在地膜中分离得到的红球菌C208对PE塑料薄膜的降解率在30 d内达8%[150]。但目前从土壤中分离出能降解MPs的菌株种类较少，因此探究用于降解土壤MPs的微生物可能是进一步研究的方向之一。而生物体可以通过咬、咀嚼或消化碎片来物理降解MPs[151-152]。蜡螟(Waxworms)、印度谷螟(Indian Mealmoths)已被证实能吞食PE并在其肠道微生物的帮助下降解塑料聚合物[153]。此外，大麦虫(Zophobas Morio)、黄粉虫(Tenebrio molitor)、蚯蚓等均具有降解MPs的能力[154-156]。老化/降解会改变MPs的表面结构、疏水性、结晶度和比表面积，并增加MPs表面C—O、C=O、—OH等含氧官能团的数量[8, 97]，导致老化或降解MPs具有更高的吸附能力，使其可以吸附其他污染物质，对土壤生态系统构成更大的威胁。
目前，关于土壤MPs的老化或降解对陆地生态系统的危害研究并不多，主要是以下几个方面。首先，长期风化会使MPs分解成为NPs，许多研究已证明粒径较小的NPs可能较MPs具有更大的环境流动性和毒性[111]。Muhammad等[157]发现家蚕(Bombyx mori)暴露于PS MPs(5—5.9 μm, 10 μg·mL−1)的个体在感染后存活得更好，而暴露于PS NPs(50—100 nm, 10 μg·mL−1)的个体则表现出更高的死亡率。Liu等[158]也得出了类似的结果，相较于100 nm PS NPs，20 nm PS NPs(0.1—100 μg·L−1)对线虫(Caenorhabditis elegans)表现出更强的毒性。其次，老化MPs对污染物表现为更强的吸附能力，且老化的可降解MPs更强[51, 159]。Zhang等[159]研究发现，搁浅的PS泡沫对土霉素的吸附能力高于原始PS泡沫的吸附能力，Fan等[55]的研究也发现通过紫外线的老化过程，PLA、PVC对四环素、环丙沙星的吸附能力增加，且可降解PLA表现出更好的吸附能力，这些研究表明更多的有机污染物可以吸附并浓缩到老化的MPs上，形成的复合污染可能对生物体造成更严重的危害。最后，一些研究还探究了在超纯水和模拟肠液中，抗生素在原生/老化MPs上的解吸行为，发现与原生MPs相比，抗生素在老化MPs上解吸量更大，且模拟肠液中的抗生素解吸量比超纯水中大，这可能会对生物体造成更严重的危害[55]。除了老化MPs对生物体的危害外，也可能会带来其他的环境问题，如老化后形成的NPs由于粒径太小，如何从土壤环境中检测丰度及去除也是一大难题。综上，老化MPs的生态毒性问题及其带来的环境污染问题值得高度关注。
3. 结论与展望（Conclusion and perspective）
（1）土壤MPs的来源途径很多，包括未合理处置的塑料垃圾、污泥堆肥、有机肥的施用、农业灌溉、地膜覆盖等，但当前的研究仅停留在对土壤MPs来源的描述上，很少聚焦MPs的溯源研究，现有的技术条件无法将MPs从环境中根除，因此从源头管控就显得尤为重要。但如今土壤MPs溯源几乎处于空白状态，建议加强这方面的研究，为土壤中MPs的源头控制提供关键支撑。
（2）MPs污染在全球土壤环境中普遍存在，应加大力度调查土壤MPs丰度。不同地点、土地类型、不同深度土壤中MPs污染水平和特征存在较大差异，频繁的农业活动导致农田土壤MPs污染较为严重，PE、PP、PS是土壤中最常见的MPs类型。通过大气传输、植物积累、动物摄食、翻耕等多种途径，MPs最终可迁移到深层土壤甚至含水层，因此检测深层土壤中MPs的含量才能全面评估土壤MPs的污染状况。迁移到地下水中的MPs可能带来新的环境问题，但相关的环境风险预测、评估和防控仍缺乏。
（3）土壤MPs的存在会对动植物的生长产生不同影响，关于这方面的研究存在暴露时间短、受试动植物类别有限、土壤类型单一以及MPs种类、粒径大小和浓度与实际土壤环境有一定差异等问题，未来应结合实际土壤环境状况加强这方面的研究。土壤MPs经陆生食物链的传递和积累，可能对人类健康构成严重威胁，但关于环境相关浓度土壤MPs对不同类型动植物的阈值毒性水平及其在食物链中转移的研究还不足，这些问题在后续研究中需重点考虑，以全面揭示陆地生态系统中MPs带来的生态风险。
（4）MPs因疏水性强、比表面积大，可以吸附多种有机和无机污染物，从而影响土壤生物的生长，MPs还可与自身释放的添加剂等形成复合污染，使得MPs的环境行为更加复杂。但目前关于土壤MPs与其携带的污染物结合和释放的机理尚不清楚，与多种有害污染物共同暴露对陆生生物的毒性效应和人体健康的风险亟待研究。未来的研究重点应关注MPs进入到土壤中如何参与其他元素(如重金属)和污染物的环境地球化学行为及生物效应。
（5）土壤MPs的存在可改变微生物的群落结构和功能，反过来，在微生物、土壤动物、光照辐射等作用下MPs可进一步老化或降解，可能对土壤生态系统构成更大的威胁。但MPs影响土壤微生物的机制和途径暂不明晰，未来探究MPs对微生物群落结构、微生物活性的影响，MPs对全球生态系统和生物地球化学循环及对ARGs的影响是研究的重点方向之一。此外，还应寻找绿色、高效且环保的控制措施，以减少生物体对MPs的吸收，并降低其在土壤生态系统中的迁移。
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图 4 不同盐度下氨氮去除率、亚硝态氮积累率和硝酸盐积累率的变化
Figure 4. Effect of different salinity on nitrogen removal rate, nitrite accumulation rate and nitrate accumulation rate
图 5 不同ρ(NaCl)下曝气时间对氨氮去除率和亚硝态氮积累率的影响
Figure 5. Effect of aeration time on the nitrogen removal rate and nitrite accumulation rate at different ρ(NaCl)
图 6 UASB反应器运行期间
NH+4 -N、NO−2 -N、NO−3 -N浓度变化Figure 6. Concentration change of
NH+4 -N，NO−2 -N，NO−3 -N in UASB reactor during operation表 1 基质浓度对短程硝化反应的影响
Table 1. Effect of substrate concentrationon partial nitrification
水样序号 NH+4 -N浓度 /(mmol·L−1)![](data:image/svg+xml,<svg xmlns='http://www.w3.org/2000/svg' width='350' height='600'><foreignObject width='2000' height='100%'><div xmlns='http://www.w3.org/1999/xhtml' style='font-size:16px;'><table>
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